浅析超声波设备频率与功率在实际应用中的关系

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【导读】超声波频率的选择一般的来讲，清洗五金、机械、汽摩、压缩机等行业的清洗多采用28KHZ频率的清洗机。光学光电子清洗、线路板清洗等多采用40KHZ的频率，高频超声清洗机适用于计算机，微...

超声波频率的选择一般的来讲，清洗五金、机械、汽摩、压缩机等行业的清洗多采用28KHZ频率的清洗机。光学光电子清洗、线路板清洗等多采用40KHZ的频率，高频超声清洗机适用于计算机，微电子元件的精细清洗，兆赫超声清洗适用于集成电路芯片、硅片及波薄膜的清洗，能去除微米、亚微米级的污物而对清洗件没有任何损伤。而对于一些精密清洗（如液晶体、半导体等）的应用上，使用传统的频不但没法达到清洗的要求，而且还可能造成工件的损伤。Z典型的例子就是关于电子产品，行业已明文规定不允许使用传统的频率（20~30KHz）的超声波清洗机。其实在一些欧美、日本等发达国家，已通过选用高频清洗机（80KHz或以上频率，有的已经达到200K或400K）使这个问题得到了解决。
那么为什么高频清洗能避免对工件的损伤呢？大家都知道超声波清洗的基本原理是基于液体的空化效应。事实上空化效应的强度直接跟频率有关，频率越高，空化气泡越小，空化强度越弱，且其减弱的程度非常大。举例说，如将25KHz时的空化强度比作1，40KHz时的空化强度则为1/8，到了80KHz时，空化强度就降到0.02。所以如果频率选择正确，超声波损伤工件的问题就不存在了。二：超声波功率的选择当声强增加时，空化泡的Zda半径与起始半径的比值增大，空化强度增大，即声强愈高，空化愈强烈，有利于超声波清洗作用。但不是超声波声功率越大越好，声强过高，会产生大量无用的气泡，增加散射衰减，形成声屏障，同时声强增大也会增加非线性衰减，这样都会削弱远离声源地方的清洗效果。所以，超声波清洗的效果不一定于与所加功率和工作时间成正比，有时用小功率花费很长时间也没有清除污垢，而如果功率达到一定数值，则有可能很快将污垢去除。若超声波功率太大，这时液体中空化强度大大增加，较精密的零件将产生蚀点，水点腐蚀也增大，如果振动板表面已受到空化腐蚀，强功率下水底产生空化腐蚀更严重，使设备寿命降低，造成不必要的损失，同时清洗缸底部振动板空化也十分严重，使缸的寿命缩短。但超声波清洗功率选择小了，花费很长时间也没有清除污垢，也是不可取的。常规的超声波清洗在工业当中，标准型超声波清洗机从100W至1500W不等，工件有多大，在考虑清洗节拍的前提下，由超声波清洗槽体的大小决定超声波的功率。鉴于目前混响场声强测量的技术尚不够成熟，目前还是用单位面积上的功率来进行设计，一般一台标准超声清洗机输出功率密度大多选在0.3～0.6瓦/平方厘米左右，当然了，这只是常规情况。脉冲聚焦超声波清洗可选得更高。由此可见，超声空化阀值和超声波的频率有密切关系，频率越高，空化阀越高。换句话说，频率低，空化越容易产生，而且在低频情况下液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔，使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸，空化强度，有利于清洗作用。所以低频超声波清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合度高的场合。但易腐蚀清洗件表面，不适宜清洗表面光洁度高的部件，而且空化噪音大。40KHZ左右的频率，在相同声强下，产生的空化泡数量比频率为20KHZ时多，穿透力较强，宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件，空化噪音较小，但空化强度较低，适合清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合。三、超声波频率与功率在实际应用中的关系在超声波清洗机的实际应用中，当一定频率的超声清洗后达不到清洁的效果时，如果工件上要去除的杂质颗粒较大，就可能是超声波功率不足，一般增加超声波功率就可解决该问题；但相反的如果工件上要去除的杂质颗粒非常小，那么无论功率怎么增大，都无法达到清洁的要求。原因在于：当液体流过工件表面时，会形成一层粘性膜。低频时一般该层粘性膜很厚，小颗粒就埋藏在里面，无论超声波的功率（强度）多大，空化气泡都无法与小颗粒接触，故无法把小颗粒彻底除去；而当超声波频率升高时，粘性膜的厚度就会减少，超声波产生的空化泡就可以接触到小颗粒，将它们从工件表面剥落。所以，低频的超声波清除大颗粒杂质的效果很好，但清除小颗粒杂质效果就很差。相对而言，高频超声对清除小颗粒杂质就特别有效。所以Z好的方式是一般先做实验来获取合适的参数配置，按实际使用情况来配置超声波功率，这样有利于实际应用。

上海汗诺仪器有限公司

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2004-11-04 09:23:10

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